النشاط الكيميائي للفلزات

• الوحدة 3 تتناول نشاط الفلزات، أي كيفية تفاعلها الكيميائي.

تفاعلات الفلزات

• تتفاعل الفلزات بسرعات مختلفة مع الهواء والماء بناءً على نشاطها الكيميائي.
• يصدأ الحديد ببطء، بينما يتفاعل الصوديوم بسرعة كبيرة مع الهواء والماء.
• يمكن ترتيب الفلزات وفقًا لنشاطها الكيميائي.

الفكرة العامة

• تختلف الفلزات في نشاطها الكيميائي عند تفاعلها مع الهواء والماء والحموض.
• يتم ترتيب الفلزات في سلسلة النشاط الكيميائي.
• يمكن التنبؤ بنواتج تفاعلات الفلزات من خلال سلسلة النشاط الكيميائي.

تفاعلات الفلزات (الدرس الأول)

• تتفاوت الفلزات في سرعة تفاعلها مع غاز الأكسجين والماء وحمض الهيدروكلوريك المخفف.
• يمكن التعبير عن تفاعلات الفلزات بمعادلات كيميائية موزونة.

سلسلة النشاط الكيميائي وتآكل الفلزات (الدرس الثاني)

• يتم ترتيب الفلزات وفقًا لسرعة تفاعلها مع الهواء والماء وحمض الهيدروكلوريك في سلسلة النشاط الكيميائي.
• يمكن الاستفادة من سلسلة النشاط الكيميائي للتنبؤ بحدوث التفاعلات وقابلية الفلزات للتآكل.

بعض الخصائص الفيزيائية للفلزات

• الفلزات تأتي في أشكال متنوعة كأشرطة أو أسلاك من مواد مثل النحاس والألومنيوم والحديد والزنك والمغنيسيوم.
• من الضروري ارتداء معطف المختبر والنظارات الواقية والقفازات واتخاذ الحيطة عند استخدام المطرقة.
• يجب تنظيف الفلزات بورق الصنفرة وتسجيل ملاحظات حول حالتها الفيزيائية ولونها ولمعانها.
• الفلزات تصنف بأنها إما هشة أو قابلة للطرق والتسطيح، بناءً على سلوكها عند الطرق عليها.
• توصيل الدوائر الكهربائية بفحص توصيل شريط المغنيسيوم وتسجيل لمعان المصباح.
• تسجيل البيانات الخاصة بالخصائص الفيزيائية للفلزات في جدول.
• الخصائص الفيزيائية العامة للفلزات: الحالة الفيزيائية، اللون، اللمعان، القابلية للطرق، التوصيل الكهربائي.
• تنظيف سطح الفلز قبل فحصه مهم لإزالة أية طبقة تعيق الرؤية الواضحة.

تفاعل الفلزات مع غاز الأكسجين والماء وحمض الهيدروكلوريك المخفف

• الفلزات تقع في يسار ووسط الجدول الدوري.
• المجموعتان الأولى (IA) والثانية (IIA) هما أكثر الفلزات نشاطًا.
• العناصر الانتقالية تعد أيضًا من الفلزات.
• تختلف الفلزات في نشاطها الكيميائي، مما يؤدي إلى التفاوت في سرعة تفاعلها.
• الصوديوم والبوتاسيوم أكثر نشاطا، بينما الذهب والبلاتين أقلها نشاطا.

تفاعل الفلزات مع غاز الأكسجين

• الفلزات بشكل عام صلبة لامعة قابلة للطرق والسحب وموصلة للحرارة والكهرباء.
• الفلزات تكون أيونات موجبة نتيجة لفقدها للإلكترونات في تفاعلاتها.
• تتفاوت الفلزات في سرعة تفاعلها مع غاز الأكسجين والماء وحمض الهيدروكلوريك المخفف تبعا لتفاوت نشاطها.
• يعرف نشاط الفلز بقدرته على فقد الإلكترونات وتكوين أيونه الموجب.
• يختلف النشاط باختلاف مواقع الفلزات في الجدول الدوري وتركيبها الإلكتروني وتفاوت حجوم ذراتها في المجموعة الواحدة.
• يتغير لون التفاح عند تعرضه للهواء بسبب تفاعل الحديد الموجود فيه مع أكسجين الهواء.
• يتعرض الهيكل الحديدي للسيارة المهجورة لأكسجين الهواء الرطب ويتفاعل معه منتجا صدأ الحديد.
• تتفاعل الفلزات مع أكسجين الهواء الجوي، فيتغير لون سطحها ليصبح أقل لمعانا.
• ينتج من تفاعل الفلزات مع الأكسيجين طبقة صلبة من أكسيد الفلز عليها.

أكسيد الفلز

• مركب كيميائي ينتج من تفاعل الفلز مع غاز الأكسجين.
• المعادلة العامة لتفاعل الفلز مع غاز الأكسجين: فلز + غاز الأكسجين ← أكسيد الفلز.
• تتفاعل الفلزات القلوية (الليثيوم والصوديوم والبوتاسیوم) بسرعة مع غاز الأكسجين.
• يتغير لون سطح الصوديوم المقطوع حديثا من فضي لامع إلى رمادي باهت خلال ثوان.
• تكون طبقة من أكسيد الصوديوم نتيجة لتفاعل الصوديوم مع أكسجين الهواء.
• المعادلة الكيميائية لتفاعل الصوديوم مع غاز الأكسجين: 4Na(s) + O2(g) → 2Na2O(s)
• تتفاعل الفلزات القلوية الأرضية مع غاز الأكسجين بسرعة أقل من الفلزات القلوية.
• يحتاج تفاعل الكالسيوم مع غاز الأكسجين بضع دقائق، ما يشير إلى أن سرعة تفاعله أقل من تفاعل الصوديوم.
• المعادلة الكيميائية لتفاعل الكالسيوم مع غاز الأكسجين: 2Ca(s) + O2(g) → 2CaO(s)
• يحتاج المغنيسيوم لبعض الوقت ليتفاعل مع الأكسجين ويصبح سطحه قاتما نتيجة تكون طبقة من أكسيد المغنيسيوم.
• يحفظ المغنيسيوم في أوعية مغلقة، لكنه يتفاعل بسرعة عند حرقه منتجا رمادا أبيض من أكسيد المغنيسيوم MgO.
• يتفاعل الألمنيوم مع الأكسجين بمرور الوقت مكونا طبقة رقيقة ومتماسكة من أكسيد الألمنيوم Al2O3 على سطحه.

حالات خاصة بتفاعلات الأكسجين مع الفلزات

• يتكون صدأ الحديد نتيجة تفاعل الحديد مع غاز الأكسجين بوجود الماء.
• الصدأ مادة صلبة بنية هشة تختلف في لونها وصلابتها عن الحديد.
• الزنجار (جنزارة النحاس): طبقة تتكون على سطح النحاس عند تعرضه للهواء والأكسجين والماء وغاز ثاني أكسيد الكربون.
• يتراوح لون الزنجار بين الأزرق الصافي والأخضر بحسب نسبة تكون كربونات النحاس القاعدية.
• طبقة الزنجار تحمي سطح النحاس من التآكل، ولكنها مادة سامة لذا لا ينصح بصنع أدوات الطهو من النحاس.
• يستخدم الزنجار مخلوطا بالشيد في دهن سيقان الأشجار لحمايتها من الحشرات ومعالجة التصمغ.

تفاعل الفلزات مع الماء

• لا تتفاعل بعض الفلزات شائعة الاستخدام مع الماء، مثل الحلي المصنوعة من الذهب أو الفضة، والأواني المصنوعة من الألمنيوم.
• تتفاعل الفلزات القلوية والفلزات القلوية الأرضية عموما مع الماء، منتجة هيدروكسيد الفلز وغاز الهيدروجين وكمية من الحرارة.
• تتفاوت الفلزات القلوية في سرعة تفاعلها مع الماء، فمثلا يتفاعل الليثيوم بسرعة.
• الصوديوم يتفاعل مع الماء بسرعة أكبر من الليثيوم منتجا كمية كبيرة من غاز الهيدروجين والحرارة.
• تفاعل البوتاسيوم مع الماء سريع جدا وينتج حرارة كبيرة تؤدي إلى احتراق غاز الهيدروجين المتصاعد بسرعة كبيرة بفرقعة.
• المعادلة الكيميائية لتفاعل البوتاسيوم مع الماء: 2K(s) + 2H2O(l) → 2KOH(aq) + H2(g) + Heat
• تتفاوت الفلزات القلوية الأرضية في سرعة تفاعلها مع الماء.
• الكالسيوم يتفاعل مع الماء عند درجة حرارة الغرفة منتجا فقاقيع من غاز الهيدروجين وهيدروكسيد الكالسيوم وكمية من الحرارة.
• المغنيسيوم يتفاعل ببطء شديد عند وضعه في الماء البارد منتجا كمية قليلة من فقاقيع غاز الهيدروجين.
• يُحفظ البوتاسيوم في زيت البرافين.

تفاعل الفلزات مع حمض الهيدروكلوريك المخفف

• لا تتفاعل الفلزات المستخدمة في حياتنا اليومية (مثل الألومنيوم والنحاس والفضة والذهب) مع الماء.
• تتفاعل العديد من الفلزات مع حمض الهيدروكلوريك المخفف، لكن بسرعات متفاوتة.
• ينتج من تفاعل الفلزات مع حمض الهيدروكلوريك ملح وغاز الهيدروجين.
• الملح: مركب أيوني ينتج من تفاعل الحمض مع قاعدة أو فلز، ويُسمّى ملح كلوريد الفلز في حالة حمض الهيدروكلوريك.
• المعادلة العامة للتفاعل: فلز + حمض الهيدروكلوريك → كلوريد الفلز + غاز الهيدروجين.
• يتفاعل المغنيسيوم بسرعة مع حمض الهيدروكلوريك، وينتج ملح كلوريد المغنيسيوم وكمية كبيرة من فقاقيع غاز الهيدروجين.
• المعادلة: Mg(s) + 2HCl(aq) → MgCl2(aq) + H2(g)
• يحل المغنيسيوم محل الهيدروجين في حمض الهيدروكلوريك.
• يعتبر هذا التفاعل مثالا على تفاعلات الإحلال في الكيمياء.
• تتفاعل فلزات (الألومنيوم، والخارصين، والحديد، والرصاص) بسرعات مختلفة مع حمض الهيدروكلوريك المخفف، منتجة أملاح كلوريداتها وغاز الهيدروجين.
• الألومنيوم يتفاعل بسرعة مع حمض الهيدروكلوريك مُنتِجًا فقاعات غاز الهيدروجين حتى نهاية التفاعل.
• الخارصين يتفاعل مع الحمض، منتجًا غاز الهيدروجين بسرعة أقل من الألومنيوم.
• الحديد يتفاعل ببطء، منتجًا كمية أقل من فقاقيع الغاز.
• الرصاص يتفاعل ببطء شديد، ويظهر قليل من فقاقيع الغاز.
• النحاس والفضة والذهب لا تتفاعل مع حمض الهيدروكلوريك المخفف.

السبائك

• غالبية الفلزات نشطة كيميائيا، وتتآكل بسبب تفاعلها مع الهواء والماء، ولتحسين خصائصها يتم تكوين السبائك.
• السبائك (Alloys): خليط من الفلز وعناصر أخرى (قد تكون فلزات أو لافلزات).
• سبيكة الفولاذ تتكوّن من الحديد مضافًا إليه نسبة محددة من الكربون، وتُستخدم في الإنشاءات والسكك الحديدية.
• سبيكة الفولاذ المقاوم للصدأ (Stainless Steel) تتكون من الحديد مضافًا إليه الكروم والنيكل والكربون بنسب محددة، وتُستخدم في صناعة أواني الطبخ.
• سبيكة البرونز (Bronze) تتكون من النحاس مضافًا إليه القصدير والخارصين، وتُستخدم في صناعة التحف.